Джеймс Уотсон - ДНК. История генетической революции

Самыми известными микробами, открытыми в последнее время, являются представители вида, наличие которых опровергает одну из ключевых догм биологической науки – убеждение, что вся энергия для жизнеобеспечения поступает к нам от Солнца. Даже B. infernus и нефтеперерабатывающие бактерии не утратили связи с органическим прошлым, ведь миллионы лет тому назад Солнце согревало те растения и животных, которые сегодня превратились в ископаемое топливо. Однако так называемые литоавтотрофы способны извлекать необходимые питательные вещества прямо из пород, de novo образующихся при вулканических процессах. В этих породах (таких как гранит) нет ни следа какой-либо органики; они не содержат ни капли энергии, которая могла бы сохраниться с доисторических солнечных дней. Литоавтотрофам приходится синтезировать собственные органические молекулы из этих неорганических веществ. Они буквально «грызут гранит».

О том, насколько слабо мы представляем себе микробную вселенную в целом, красноречивее всего свидетельствует запоздалое открытие бактериального рода Prochlorococcus , относящегося к планктону; эти одноклеточные бактерии фотосинтезируют, плавая в толще воды. В кубическом миллиметре воды может насчитываться до 200 тысяч таких бактерий – пожалуй, это и есть самый многочисленный вид на планете. Определенно, на долю Prochlorococcus приходится значительный вклад в глобальные пищевые цепи. Тем не менее Prochlorococcus оставался неизвестен вплоть до 1988 года.

Наличие удивительной вселенной микроорганизмов, окружающих нас повсюду, демонстрирует феноменальную мощь естественного отбора, продолжавшегося миллиарды лет. Действительно, историю жизни на нашей планете можно считать «историей бактерий»; более сложные организмы (и мы в том числе) появились совсем недавно, буквально «напоследок» эволюционного пути. По-видимому, жизнь возникла около 3,5 миллиарда лет тому назад именно в бактериальной форме. Первые эукариоты – клетки, чей генетический материал заключен в ядре, – появились примерно 800 миллионов лет спустя, но эти существа оставались одноклеточными на протяжении еще около миллиарда лет. Лишь примерно полмиллиарда лет тому назад произошел настоящий биологический прорыв, в результате которого появились существа, подобные земляному червю, плодовой мушке, а также первый вид, способный читать и записывать ДНК – Homo Sapiens . Доминирование бактерий весьма заметно при реконструкции древа жизни по ДНК – впервые такая модель была построена покойным Карлом Вёзе из Университета штата Иллинойс. Древо жизни – это генеалогическое древо бактерий, где на самых молодых веточках начинают появляться многоклеточные существа. Сегодня идеи Вёзе являются общепризнанными, но поначалу они вызывали серьезное сопротивление в среде биологического истеблишмента. Некоторые следствия, проистекающие из выстроенной схемы эволюционного древа на базе ДНК, принять было непросто. Так, по этим данным выходило, что между растениями и животными нет тесного родства, как считалось ранее; на самом деле ближайшие родственники животных – грибы. Люди и грибы происходят от одного и того же эволюционного корня.

Проект «Геном человека» подтвердил правоту Дарвина в значительно большей степени, чем мог предположить сам Дарвин. Молекулярное сходство в конечном итоге проистекает из того, как именно различные организмы связаны общим происхождением. Успешное эволюционное «изобретение» (мутация или совокупность мутаций, поддержанных естественным отбором) передается от поколения к поколению. По мере того как древо жизни ветвится – существующие эволюционные линии порождают новые (например, рептилии как таковые сохраняются, но от них происходят птицы и млекопитающие), такое «изобретение» в итоге может оказаться в распоряжении самых разнообразных видов-потомков. Например, у 46 % белков, имеющихся у дрожжей, также есть человеческие гомологи. (Грибная) эволюционная линия дрожжей и та линия, от которой в конечном итоге произошли люди, разделились (вероятно) около миллиарда лет тому назад. С тех пор обе линии развивались независимо, каждая по своей эволюционной траектории; фактически с момента жизни нашего с дрожжами общего предка минул один миллиард лет эволюционной активности. Тем не менее за все это время та совокупность белков, которой располагал наш общий предок, изменилась минимально. Как только эволюции удается решить конкретную задачу, например синтезировать фермент, который будет катализировать определенную химическую реакцию, природа жестко придерживается этого направления эволюции. Мы уже знаем, как эволюционная инерция обусловила центральную роль РНК в клеточных процессах. Жизнь (об этом впервые высказался Карл Вёзе) началась в «мире РНК», и наследие тех времен сохраняется по сей день. Такая инерция распространяется и на биохимические особенности: 43 % белков червей, 61 % белков дрозофилы и 75 % грибных белков содержат последовательности, аналоги которых есть и в белках человека.

Сравнение геномов также помогает понять эволюцию белков. Как правило, белковую молекулу можно считать совокупностью из различных участков, так называемых фрагментов аминокислотных цепочек, выполняющих конкурентную функцию либо образующих характерную пространственную структуру. По-видимому, эволюция просто перетасовывает эти участки и создает новые комбинации. Выдающийся пример такого рода – эукариотический организм Oxytricha trifallax , обитающий в стоячей пресной воде. Лора Ландвебер провела интересные и изящные исследования, которые показали, что при спаривании их геном буквально крошится на фрагменты и затем восстанавливается заново. Две клетки Oxytricha сходятся и взаимно обмениваются геномами примерно наполовину (отдают примерно по 18 500 генов). Пока половина генов остается в так называемом рабочем ядре, остаток переходит во второе ядро, состоящее примерно из 100 хромосом. Каждая клетка лишается примерно 90 % новоприобретенной ДНК и остается примерно с 16 тысячами нанохромосом, во многих из которых всего по одному гену. Возможно, такая перестройка генома при рождении новой особи и объясняет, каким образом Oxytricha удалось просуществовать на Земле около двух миллиардов лет. Вероятно, это эволюционный реликт, утраченный всеми существами, кроме Oxytricha .

Предположительно, большинство вариантов белковых молекул, полученных в результате перестановок, структурно случайны, поэтому бесполезны и, соответственно обречены на отбраковку естественным отбором. Очень редко новая комбинация оказывается полезной, тогда возникает новый белок. Примерно 90 % участков, найденных в человеческих белках, также обнаружены в белках дрозофилы и червей. Фактически уникальный человеческий белок не что иное, как пересобранная версия белка дрозофилы.